國產(chǎn)雷達(dá)液位計(jì)

――－國產(chǎn)*自主知識產(chǎn)權(quán)，采用調(diào)頻連續(xù)波測量方式的

摘要：具有許多優(yōu)點(diǎn)，近年來應(yīng)用廣泛。本文介紹了一種調(diào)頻連續(xù)波。簡單介紹了的工作原理，分析了市場上各類物位儀表的優(yōu)劣性，并做了相應(yīng)的性能分析和比較。
關(guān)鍵詞：，調(diào)頻連續(xù)波，微波

1． 引言
自上個(gè)世紀(jì)九十年代以來，進(jìn)入市場，由于測量精度高、超群的耐高溫高壓的能力以及采用了非接觸的測量方式使安裝使用簡易方便，其較高的可靠性成為近十年來罐區(qū)液位過程監(jiān)測的儀表。
液位儀表是工業(yè)測量中*的重要儀表。液位儀表的種類繁多，根據(jù)介質(zhì)和現(xiàn)場條件的不同，各類液位計(jì)各具優(yōu)勢，形成一個(gè)多元化的局面。罐區(qū)儲罐由于其容積較大，要求液位計(jì)的精度較高，過去大多用浮子鋼帶式液位計(jì)，伺服式和靜壓式也有一定應(yīng)用量。浮子鋼帶式液位計(jì)安裝復(fù)雜，可靠性較低，靜壓式液位計(jì)受介質(zhì)密度和溫度影響很大，為消除這些影響，一套完善的靜壓測量系統(tǒng)其價(jià)格也很高；伺服式液位計(jì)精度較高，但由于其有機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，不可避免帶來磨損問題，同時(shí)價(jià)格也偏高。近年來出現(xiàn)的光纖液位計(jì)、磁致伸縮液位、超聲波液位計(jì)以及核輻射液位計(jì)各具其優(yōu)缺點(diǎn)，光纖液位計(jì)可以做到現(xiàn)場無電檢測，安全性好，這是其突出的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是仍然有很多機(jī)械傳動部件，故障率就會增加，安裝也復(fù)雜些。磁致伸縮液位精度較高，但由于其接觸的測量方式和較高的安裝、維護(hù)要求導(dǎo)致市場普及不廣。超聲波物位計(jì)雖精度較略低，但其安裝簡單價(jià)格適中，在防爆領(lǐng)域，目前超聲波液位儀的量程是一個(gè)問題，一般小于8米，遇到高溫罐，問題也會更大。核輻射液位計(jì)因有放射源，應(yīng)用需特別批準(zhǔn)，應(yīng)用范圍受到限制。而進(jìn)入市場后，由于自身的優(yōu)勢迅速成為液位測量中的儀表。
本文著重介紹的是珠海康寶萊儀表有限公司自行研發(fā)設(shè)計(jì)的調(diào)頻連續(xù)波國產(chǎn)。

2． 測量原理
本主要由雷達(dá)探測器（一次表）和雷達(dá)顯示儀（二次表）組成。雷達(dá)探測器主要由主體、連接法蘭和天線三部分組成。天線分為喇叭型和直接與波導(dǎo)管連接兩種形式。雷達(dá)顯示儀提供連接上位計(jì)算機(jī)的RS-485接口，可以傳遞液位等參數(shù)及報(bào)警信號，亦可通過上位計(jì)算機(jī)對智能雷達(dá)顯示儀進(jìn)行控制。
雷達(dá)探測器采用的是線性調(diào)頻連續(xù)波測距原理：天線發(fā)射的微波是頻率波線性調(diào)制的連續(xù)波,當(dāng)回波被天線接收到時(shí),天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計(jì)算出物料面的距離。FMCW方式測量線路較復(fù)雜,從而測量度較高,同時(shí)干擾回波也較易去除,一般用于較的測量方案。雷達(dá)探測器的主體中包括微波信號源、信號處理部分。工作過程中，微波信號源輸出一個(gè)波幅恒定的線性調(diào)頻的微波信號，其產(chǎn)生的頻率輸出如下圖所示：

圖1：調(diào)頻性連續(xù)波信號與回波信號示意圖
發(fā)射頻率隨時(shí)間線性增加，增加的斜率為k，當(dāng)發(fā)射出去的連續(xù)波遇到液面發(fā)射時(shí)，發(fā)射回來的信號頻率如圖1中點(diǎn)劃線所示，它比發(fā)射信號滯后了一定時(shí)間τ。
根據(jù)微波傳播原理知道：
τ＝2R/C (1)
式中C是微波在空間中的傳播速度3×108km/s，R是液面距雷達(dá)液位儀的距離。
由于回波信號頻率的滯后，使得反射頻率與發(fā)射信號頻率之間的差頻為：
f=kτ (2)
將以上兩式合并后可以得到：
R=C×f/2k
顯然R與f是成正比的，反射液面離液位儀的距離越遠(yuǎn)所產(chǎn)生的差頻頻率f越大，因此可計(jì)算天線到反射面的距離。
信號處理部分則對回波信號與發(fā)射信號的混合信號進(jìn)行處理，通過測量混合信號頻譜，用快速傅立葉變換（FFT）來計(jì)算混合信號，從中對混合信號頻譜進(jìn)行分析，排除掉干擾信號，然后確定天線到反射界面的距離，從而完成測量。

3． 優(yōu)點(diǎn)特性
本采用非接觸式測量方法。非接觸式測量方法是今年來測量物位的主要方法，目前較成熟的非接觸測量技術(shù)有超聲波、核輻射和微波。而在化工、石化等過程工業(yè)領(lǐng)域，由于被測介質(zhì)普遍存在高溫、高壓、腐蝕、揮發(fā)、冷凝等復(fù)雜工況，且對測量儀表有防爆要求。相比與超聲波，微波傳播的自身特點(diǎn)決定了的使用優(yōu)勢：
1） 定向傳播。
2） 準(zhǔn)光學(xué)特性。
3） 傳輸特性好。
4） 介質(zhì)對微波吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例。
由其自身特性決定，在使用上具有以下優(yōu)勢：
1） 連續(xù)準(zhǔn)確測量：由于不與被測介質(zhì)接觸，且受溫度、壓力、氣體等影響非常小。
2） 維護(hù)方便，操作簡單：具有故障報(bào)警及自診斷功能。
3） 適用范圍廣：非接觸式測量，方向性好，傳輸損耗小，可測介質(zhì)多。
4） 安裝簡單：在各行業(yè)應(yīng)用中，可直接安裝到儲罐頂部，安裝十分簡單。

4. 市場分析
1）橫向比較
通常分為脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FMCW）兩種。脈沖雷達(dá)的工作模式與超聲物位計(jì)相似:天線周期地發(fā)射微波脈沖,并接收物料面回波,同時(shí)對回波信號進(jìn)行分析處理,確認(rèn)有效回波,據(jù)之計(jì)算物位。正是由于工作原理的不同，導(dǎo)致兩者測量方式測量的zui終精度也有所不同，脈沖雷達(dá)的測量精度不如調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FMCW）。而且，從大量的實(shí)測結(jié)果來看，脈沖雷達(dá)的測量精度跟超聲波液位計(jì)的差不太多，而市場價(jià)格卻高出不少。因此，用戶在具體選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選擇適合自己的性價(jià)比較好的儀表。
2）自身優(yōu)勢
珠海康寶萊儀表有限公司生產(chǎn)的調(diào)頻連續(xù)波，是由中航雷達(dá)與電子設(shè)備研究院(原：航空航天工業(yè)部第607研究所)研制的產(chǎn)品。該院是國家重點(diǎn)機(jī)載雷達(dá)研究院，其設(shè)備和人才上的實(shí)力極為雄厚，主要從事軍用、民用雷達(dá)系列電子產(chǎn)品的研究、開發(fā)和制造。現(xiàn)職工2800多人，其中工程師300多人，自然科學(xué)研究員50余人，科技人員占職工總數(shù)60％以上。中國*部軍用機(jī)載火控雷達(dá)便誕生于607研究所，自建所三十余年來它為國家防務(wù)研制生產(chǎn)了多種新型機(jī)載雷達(dá)，在國內(nèi)微波雷達(dá)產(chǎn)品研制方面實(shí)力。
珠海康寶萊儀表有限公司作為中航雷達(dá)與電子設(shè)備研究院的對外窗口多年來一直致力于產(chǎn)品的專業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)和銷售,自1998年國產(chǎn)開發(fā)試制成功以來，目前使用過該產(chǎn)品的客戶已涵蓋了石油、化工、船舶、冶金、食品、污水處理等多種行業(yè)的各大企業(yè),得到了用戶的肯定。該是國家重點(diǎn)新產(chǎn)品、*火炬計(jì)劃項(xiàng)目，并在*十三屆發(fā)明展覽會上獲得金獎。其線性調(diào)頻校正技術(shù)和自動頻率跟蹤濾波技術(shù)獲得國家多項(xiàng)且居國內(nèi)地位，目前已有700余套正常平穩(wěn)的運(yùn)行在國內(nèi)、外用戶中，其實(shí)惠的價(jià)位、過硬的產(chǎn)品質(zhì)量和完善、快捷的售服體系深得用戶信賴。

5. 結(jié)言
近年來，中國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，石油、化工、醫(yī)藥、食品等過程工業(yè)領(lǐng)域?qū)Φ男枨笠矊⒃絹碓酱蟆Ｎ覀兿嘈艑懈玫拿魈欤覀儗⒉粩嗵岣攥F(xiàn)有技術(shù)水平和開發(fā)新型的物位計(jì)，為用戶提供更好的服務(wù)。國產(chǎn)具有*自主知識產(chǎn)權(quán)的面世，為國內(nèi)外用戶提供了更大的選擇空間,也為他們優(yōu)化成本、合理配置資源提供了更大的方便。